Диссертация (Динамическое проектирование системы управления движением и навигации малых космических аппаратов дистанционного зондирования Земли с аппаратурой кадровой съемки), страница 4

Диаграмма направленности наземныхсредств приёма информации в Ка-диапазоне не превышает 0.1–1 угловойминуты. Несмотря на автопоиск и автосопровождение КА во время сеансасвязи со стороны наземной станции, критически важной составляющей КАявляется применение в его составе GPS/ГЛОНАСС-приёмника. Современныеприборы такого типа успешно работают на орбитах порядка 600 км и19обеспечивают надёжное измерение параметров орбитального движения КА сточностями порядка 10–20 м для единичного измерения. Кроме того,применениебортовогоGPS/ГЛОНАСС-приёмникаавтоматическиобеспечивает решение ещё одной критически важной задачи – обеспечениеточной и стабильной бортовой шкалы времени.

Эта задача, напрямую неявляющаяся задачей СУДН, тем не менее может существенно влиять наточностныехарактеристики.НепрерывнофункционирующийGPS/ГЛОНАСС-приёмник в составе КА «Аурига» обеспечивает точностьустановки времени не хуже 1 мс, что является приемлемым значением сточки зрения СУДН.Какправило,функционированиявсемалыепопутнымКАДЗЗвыводятсяпуском.Этаособенностьнаорбитуопределяетрасположение солнечных панелей КА, которые устанавливаются вокруг всейконструкции. В случае КА «Аурига» этим обусловлен также угол раскрытиязащитной крышки камеры, который составляет 45 градусов.КА «Аурига» имеет всего один раскрывающийся элемент конструкции–защитнуюкрышкукамерыДЗЗ.Приэтомсистемараскрытияспроектирована таким образом, что частота первого тона упругих колебанийконструкции составляет более 40 Гц.На рисунке 1.1 схематично показано расположение осей связаннойсистемы координат КА «Аурига».

Базовая система координат КА «Аурига»материализуется посадочным местом звёздного датчика № 1, при этом ось Zзвёздного датчика совпадает по направлению c осью –Y КА, ось Y совпадаетпо направлению с осью X КА, ось X совпадает по направлению с осью Z КА.Оси связанной системы координат направлены согласно одноимённым осямбазовой системы координат, но центр располагается в центре масс аппарата.20Рисунок 1.1 – Оси связанной системы координат КА «Аурига»Масса малого космического аппарата ДЗЗ «Аурига» составляет 23 кг.Габариты (с закрытой крышкой оптической системы) – 450×247×247 мм.Главные центральные моменты инерции: Jxx = 0.51, Jyy = 0.52, Jzz = 0.34 кг·м2.Центробежные моменты инерции малы и при расчётах ими можнопренебречь.Требования по точности на этапе съёмки: точность ориентации осей оптической полезной нагрузки ±3ˊ; требования по максимальной скорости изменения стабилизационныхотклонений относительно орбитальной ориентации менее 20ˊ/c; максимальное стабилизационное отклонение относительноорбитальной ориентации ± 6ˊ.Требования по точности на этапе передачи целевой информации:точность ориентации оптической оси рупорной антенны – не хуже ±1°;максимальное стабилизационное отклонение ±2°.

Требования по скоростиизменения стабилизационных отклонений не предъявляются.Подтермином«точностьориентации»понимаетсяточностьориентации осей КА при идеальной стабилизации. Таким образом, точность21ориентации складывается из точности взаимной увязки осей оптическойполезной нагрузки (или рупорной антенны) и точности программыориентации. Под термином «максимальное стабилизационное отклонение»понимается предельная величина, на которую может отклониться аппарат отзаданной ориентации. При этом скорость изменения внутри допустимойвеличины задаётся отдельным параметром.С учётом отсутствия необходимости солнечной ориентации (посколькув неориентированном полёте сохраняется положительный энергобаланс)бортовое программное обеспечение СУДН малого КА ДЗЗ базируется надвух алгоритмах, обеспечивающих требуемую ориентацию аппарата:1) алгоритм демпфирования угловых скоростей;2) алгоритм трёхосной ориентации КА.а также двух алгоритмах прогноза орбитального движения:1) высокоточнаялокальнаямодель,обеспечивающаяобработкуданных GPS/ГЛОНАСС-приёмника в реальном масштабе времени;2) автономная модель орбитального движения.В дальнейшем в работе рассмотрим логику построения и алгоритмыуправления КА в данных двух режимах.1.2Анализ возмущающих моментов и динамическихтребованийПрифункционированиинаорбитеЗемлинаКАдействуютвозмущающие силы и моменты.

С точки зрения управления угловымдвижением КА, для обоснованного выбора исполнительных приборов,требуется провести анализ возмущающих моментов.Основными возмущающими моментами на низкой околоземной орбитеявляются: момент от силы светового давления; гравитационный возмущающий момент; момент силы атмосферного сопротивления;22 магнитный возмущающий момент.Извсехвышеперечисленныхвозмущающихмоментовсамымнеопределённым является магнитный возмущающий момент.

Величина этоговозмущающегомоментанапрямуюзависитотмагнитныхсвойствматериалов, применяемых в составе конструкции КА, а также отсобственных магнитных моментов различных приборов, входящих в составаппарата. Одним из способов определения данного вида возмущений,который применён в данной работе, является статистическая оценка,базирующаяся на сведениях о собственных магнитных моментах других КА.Расчёт величины возмущающего момента от силы светового давленияпроводится по следующему соотношению [28]:()()( )где:Ф – постоянная Солнца, для земной орбитыc – скорость света,;;– освещаемая площадь поверхности КА;q – коэффициент отражающей способности поверхности КА;координаты центра приложения силы давления;координаты центра масс.Расчётвеличинывозмущающегоаэродинамическогопроводится по следующему соотношению [28]:()где:– плотность атмосферы,;– коэффициент аэродинамического сопротивления;– площадь миделя,;V – орбитальная скорость движения КА, м/с;координаты центра приложения силы давления;23моментакоординаты центра масс.Расчёт величины возмущающего магнитного момента проводится последующему соотношению:()где:– магнитный диполь КА,;– магнитная постоянная Земли;– расстояние от центра Земли до КА;– коэффициент магнитного усиления (от 1 для экваториальнойорбиты до 2 для полярной).Расчёт величины возмущающего гравитационного момента проводитсяпо следующему соотношению [28]:||()где:– гравитационный момент;– угол между осью Z и местной вертикалью;– расстояние от центра Земли до КА;– гравитационный параметр Земли,.Предельные значения возмущающих моментов, действующих на КА вполёте, представлены в таблице 1.1.Таблица 1.1 – Внешние возмущающие моменты КА «Аурига»ВидвозмущенияТогда,Максимальное значение модуля вектора, НмНм.24Следует отметить, что указанная величина суммарного возмущающегомомента получена для принятого модуля собственного магнитного моментаКА равного 0.1 Ам2.

Очевидно, что направление данного магнитногомомента при функционировании аппарата распределено по некоторомуэллипсу и не может реализоваться данной величиной в единственномнаправлении.источниковИз-занеопределённостимагнитногомомента,прираспределениянаправленийпроектированииСУДНКАпредлагается принять наихудший вариант, когда данная величина направленавдоль какой-либо из осей аппарата.В этом случае, для нужд управления располагаемый магнитныйуправляющий момент, развиваемый магнитными исполнительными органамиКА, должен быть приблизительно в три раза больше возмущающего.В составе КА «Аурига» функционируют пять магнитных катушек,которые обеспечивают демпфирование остаточных угловых скоростей КАпосле отделения от РБ, а так же разгрузку двигателей-маховиков.

Магнитныемоменты панелей +X, +Y, –X, –Y равны 0.271 Ам2, магнитный момент панели–Z равен 0.285 Ам2. Таким образом суммарный управляющий момент,развиваемый магнитными катушками, составляет: по осям ±Х – 0.542 Ам2, поосям ±Y – 0.542 Ам2, по оси –Z – 0.285 Ам2.При выборе двигателей-маховиков (ДМ) нужно вначале определиться сих количеством. Для случая с резервированием целесообразно использоватьв составе КА четыре ДМ, устанавливаемых по схеме «несимметричнаяпирамида».

При такой установке ДМ требуется осуществить выбор угловотклонения оси вращения каждого из приборов относительно связаннойсистемы координат КА. Сделать это можно исходя из различных критериев,однимизкоторыхявляетсяобеспечениеравныхрасполагаемыхкинетических моментов в каждом из каналов управления, как этопредставлено в работе [29]. В случае КА «Аурига», как и во многих малыхаппаратах, нет резервирования приборного состава в части увеличенияколичества применяемых ДМ. Поэтому, в состав аппарата входят три ДМ,25оси вращения роторов которых коллинеарны связанным осям КА.

Привыборе параметров ДМ, помимо возможности компенсации внешнихвозмущающих воздействий, требуется ещё рассмотреть возможности потребуемым располагаемым скоростям вращения КА и ускорениям.Главным требованием со стороны малого КА ДЗЗ «Аурига» к ДМявляется требование по обеспечению переориентации аппарата во времянаведения рупорной антенны передатчика целевой информации. Очевидно,что требования по наибольшим угловым скоростям и ускорениям будут припроведении сеансов связи с наземной приёмной антенной, угол местакоторой близок к 90 градусам, т.е.

когда во время сеанса приёмная антеннабудет находиться в подспутниковой точке.На рисунке 1.2 представлены угловые скорости для трёх каналовуправления малого КА ДЗЗ «Аугрига» во время проведения сеанса передачицелевой информации на наземную станцию в Сколково, с учётомособенностей вычисления программы ориентации. Максимальный угол местарассматриваемой зоны радиовидимости для наземной станции составляет81 градус.Как видно из графика, максимальная угловая скорость составляет ~0.85°/с и максимальное угловое ускорение, соответственно ~0.085 град/с2.РассмотримприменениевсоставеКАДМсмаксимальнымрасполагаемым кинетическим моментом 30 мНм и управляющим моментом2 мНм.Тогда располагаемую скорость разворота с учётом допуска на 50%загрузку ДМ на момент начала разворота определим из соотношения[ ]где– максимальный кинетический момент ДМ,– момент инерции КАв канале управления.